應(yīng)變解耦傳感器的制造方法
【專利摘要】一種傳感器，其包括襯底(16)和錨定至所述襯底(16)的傳感器元件(20)，所述襯底(16)和傳感器元件(20)的材料不同并且具有不同的熱膨脹系數(shù)，所述傳感器元件(20)和襯底(16)每個(gè)具有彼此基本上平行布置的一般平坦的表面；所述傳感器還包括間隔物(26)，所述間隔物(26)被定位以便從所述襯底(16)的至少部分間隔所述傳感器元件(20)的至少部分，其中所述間隔物(26)的面積比所述襯底(16)表面和所述傳感器元件(20)表面中較小的所述面積小得多。
【專利說(shuō)明】[0001] 本發(fā)明涉及傳感器，并且更具體來(lái)說(shuō)涉及源于熱感應(yīng)應(yīng)力的不準(zhǔn)確度減小的傳感 器。 應(yīng)變解耦傳感器
[0002] 傳感器通常由若干組成部分組成，其中至少一些是不同材料的并且彼此牢牢地互 連。如果傳感器易受溫度改變影響，則每個(gè)組成部分的熱膨脹或收縮將發(fā)生。在組成部分 具有不同的熱膨脹系數(shù)的情況下，如將常常在組成部分是不同材料的情況下，則通常將感 生應(yīng)力。
[0003] 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)已經(jīng)用于生成若干傳感器設(shè)計(jì)。例如，基于MEMS的加速計(jì) 和陀螺儀已被熟知。此類裝置通常包括錨定到例如玻璃或硅的襯底的基本上平坦的硅層。 還可將其它部件錨定到襯底，并且如上文提及的在所述其它部件與襯底之間的差熱膨脹可 在硅層中感生應(yīng)力，這繼而可以在傳感器的操作上引起負(fù)面影響。例如，可影響傳感器的偏 差或比例因子。
[0004] US2010/0072563和W02008/069394描述傳感器布置，其中傳感器元件結(jié)合至襯 底。在每個(gè)案例中，傳感器元件包括可相對(duì)于固定部分移動(dòng)的可移動(dòng)部分，并且同時(shí)僅傳感 器元件的固定部分而不是傳感器元件的整個(gè)表面結(jié)合至襯底，在傳感器元件的若干部分結(jié) 合至襯底時(shí)，差熱膨脹或收縮導(dǎo)致在傳感器元件中感生應(yīng)力。
[0005] US2010/0251818和US2010/0300201描述一種布置，其中彈性或順應(yīng)性支撐物用 于支撐傳感器元件以適應(yīng)差熱膨脹。
[0006] US2003/0038415描述用于傳感器的安裝布置且其為順應(yīng)性的。
[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種傳感器，其中克服或減小了前文列出的缺點(diǎn)的影響。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明，提供的傳感器包括襯底和錨定至襯底的傳感器元件，所述襯底和傳 感器元件的材料不同并且具有不同的熱膨脹系數(shù)，所述傳感器元件和襯底每個(gè)具有彼此基 本上平行布置的一般平坦的表面；所述傳感器還包括單個(gè)間隔物，由此傳感器元件錨定在 襯底上方，所述間隔物被定位以便從襯底的至少部分間隔傳感器元件的至少部分，其中所 述間隔物的面積比襯底表面和傳感器元件表面中較小的面積小得多。
[0009] 間隔物可與傳感器元件和襯底中的一個(gè)或另一個(gè)或者兩者一體形成。在間隔物與 傳感器元件和襯底中的一個(gè)一體形成的情況下，可例如使用適合的環(huán)氧樹(shù)脂將間隔物適宜 地結(jié)合至其它的傳感器元件和襯底。將了解的是在間隔物與所述其它的傳感器元件和襯底 之間的接觸面積，即間隔物的面積，比該部件的表面面積小得多。
[0010] 在該布置中，由于傳感器元件和襯底僅通過(guò)其面積的小部分互連，所以在間隔物 的位置，源于傳感器元件和襯底的差熱膨脹的應(yīng)力受限于間隔物處由于其互連的面積的較 小部分的那些，并且因此對(duì)傳感器的操作上的影響大大減小。
[0011] 適宜地，間隔物與襯底一體形成。例如，可通過(guò)小直徑突起部分限定間隔物，其從 襯底的周圍部分堅(jiān)立?？涨豢尚纬稍谝r底的表面中，突起部分優(yōu)選定位在空腔的中心。空 腔適宜是環(huán)形。
[0012] 突起部分適宜是一般的圓柱形。然而，其它形狀是可能的。例如，可具有多邊形的 橫截面。
[0013] 間隔物的面積適宜小于襯底和/或傳感器元件面積的一半。優(yōu)選地，間隔物面積 小于襯底和/或傳感器元件面積的30%。
[0014] 間隔物優(yōu)選將襯底和傳感器元件間隔開(kāi)在至少30 μ m范圍中的距離。然而，本發(fā) 明還適用于其它布置，其中該間隔例如更大。事實(shí)上，諸如例如在300 μ m的范圍中的更大 的間隔可為有利的，因?yàn)槠淇伤p跨過(guò)間隔物耦合的應(yīng)力。
[0015] 傳感器適宜包括振動(dòng)環(huán)陀螺儀（vibratory ring gyroscope)。在此類布置中，傳 感器元件適宜包括傳感器磁鐵組件部分。例如，可包括磁鐵組件的下極片。然而，將了解的 是本發(fā)明可適用于其它形式的傳感器，并且在此類布置中，傳感器元件可為其它形式。
[0016] 將參考附圖以實(shí)例的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中：
[0017] 圖1是振動(dòng)環(huán)陀螺儀的已知形式的示意表示；
[0018] 圖2是類似于圖1的視圖，但是圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的傳感器；
[0019] 圖3是圖示典型傳感器的三十個(gè)采樣的隨著溫度的正交偏差變化；以及
[0020] 圖4是類似于圖3的圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的傳感器的采樣的正交偏 差變化。
[0021] 首先參照?qǐng)D1，所示的傳感器包括通過(guò)從共振器10向外延伸的整體支撐紐帶（圖 1中未示出）附接至支撐框架12的環(huán)狀共振器10。支撐框架12安裝在玻璃基座14上方， 玻璃基座14繼而安裝在玻璃襯底16上方。
[0022] 附接至襯底16的是磁鐵組件18,其由下極片20、上極片24和位于其間的磁鐵22 組成。磁鐵組件18,更具體來(lái)說(shuō)其下極片20,通過(guò)位于下極片20與玻璃襯底16之間的薄 的、基本上牢固的粘合劑層附接至玻璃襯底16。因此，下極片20的整個(gè)下表面固定至襯底 16。下極片20通常是適合的鐵磁材料，其具有相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)。極片20可具有大約 7xl0_6的熱膨脹系數(shù)。硅和派熱克斯（Pyrex)玻璃的熱膨脹系數(shù)分別是在3xl(T6和2xl(T 6 的范圍中。通常，粘合劑在例如在130°C的范圍中的高溫下施加。隨著組件從該溫度開(kāi)始冷 卻，差熱膨脹/收縮發(fā)生在下極片20與襯底16之間，這如前文提及的在其中以共振器10 和支撐框架12中感生應(yīng)力。在使用期間的溫度改變還將因?yàn)橄嗤脑蚋猩鷳?yīng)力。
[0023] 該形式的傳感器已被熟知并且因此其中的操作方式將不在本文中描述。例如，該 一般類型的傳感器在GB2322196和US2011/0167911中被描述。
[0024] 支撐框架12、基座14和襯底16通常是一般方形橫截面形狀，基座14包括一般環(huán) 形的橫截面形狀的內(nèi)部開(kāi)口，在其中定位一般圓柱形的磁鐵組件18。因此，分布在傳感器內(nèi) 的應(yīng)力是非均勻的，其具有在基座14的寬度最小時(shí)的最大值以及在基座14的寬度最大時(shí) 的最小值。該變化的應(yīng)力圖通過(guò)紐帶耦合至經(jīng)紐帶安裝至支撐框架12的共振器10中，這 使共振器的剛度變化。
[0025] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解的是該變化的應(yīng)力圖耦合至共振器中影響傳感器的操 作。 申請(qǐng)人:相信如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的源于這些熱感應(yīng)應(yīng)力的變化是正交偏差變化 的主要原因。圖3是圖示源自溫度改變的正交偏差變化的圖，并且將了解的是這些變化非 常明顯并因此將影響傳感器的使用。
[0026] 圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的傳感器。圖2的傳感器非常類似于圖1的傳感 器并且因此將在下文中僅詳細(xì)描述其間的差異。在適當(dāng)?shù)那闆r下，可以參照前文的描述幫 助理解圖2的實(shí)施方案。在圖1和圖2中使用的相同的附圖標(biāo)記表示相似的或基本上執(zhí)行 相同功能的零件。
[0027] 在圖2的傳感器中，下極片20的下面或下表面20a不接合襯底16的基本上全部面 積。相反，下表面20a的大部分從襯底16間隔開(kāi)較小距離d。例如，距離d可為大約30 μ m。 如所示的，這借助于間隔物26的存在而實(shí)現(xiàn)。在圖2的實(shí)施方案中，間隔物26與襯底16 - 體成形。然而，間隔物26形成下極片20的部分或是單獨(dú)的部件的布置可以是可能的。此 夕卜，間隔物可能是兩部分形成，間隔物的部分形成在襯底上并且其另一部分形成在下極片 上。
[0028] 雖然在前文所述的布置中距離d是大約30 μ m，但是將了解的是可在不脫離本法 明的范圍的情況下使用其它間隔。事實(shí)上，更大的間隔，諸如例如300 μ m，可為有利的，因?yàn)?其可導(dǎo)致跨過(guò)間隔物耦合的應(yīng)力的衰減。一定程度上，深度將由用于形成間隔物的技術(shù)以 及間隔物和襯底的其余部分的結(jié)構(gòu)完整性控制。
[0029] 間隔物26適宜通過(guò)在襯底16的表面16a中蝕刻較淺的凹陷或空腔28來(lái)形成。可 使用其它制造技術(shù)。例如，可使用噴粉（powder blasting)加工技術(shù)。通常，蝕刻將導(dǎo)致形 成相對(duì)淺的凹陷，噴粉適合希望較深凹陷的情況。凹陷或空腔28 -般是環(huán)形，其具有比下 極片20的直徑稍大的外部直徑；間隔物26通過(guò)環(huán)形凹陷或空腔28的中心形成或限定。因 此，間隔物26從凹陷或空腔28的中心突起至基本上表面16a的平面。
[0030] 如使用圖1的傳感器，在組裝期間，例如通過(guò)使用適合的環(huán)氧樹(shù)脂將下極片20固 定至襯底16。然而，與圖1的傳感器不同，僅下極片20的下表面20a的部分固定至襯底16， 下表面20a的所述部分固定至間隔物26。下極片20的下表面20a的其余部分借助于凹陷 或空腔28和間隔物26從襯底16懸浮或隔開(kāi)。在傳感器元件20與襯底16之間的接觸面 積因此受限于間隔物26的面積。
[0031] 因?yàn)閮H下極片20的表面面積的相對(duì)小部分接觸和固定至襯底16,所以將了解的 是差熱膨脹或收縮僅導(dǎo)致賦予或感生有限的應(yīng)力至組件中。因此，耦合至共振器10中的熱 感應(yīng)應(yīng)力大大減小，這使傳感器的操作和靈敏度增強(qiáng)。
[0032] 例如，在所示的布置中下極片20的直徑大概6mm，凹陷或空腔比極片20稍大，并且 間隔物26的直徑大概3mm。因此，將了解的是在該實(shí)施方案中，在下極片20與襯底16之間 的接觸面積（即間隔物26的面積）大概是圖1的布置的等效接觸面積的25%。雖然在該 實(shí)施方案中接觸面積減小至圖1的布置的等效接觸面積的25%，但是將了解的是本發(fā)明不 受限于此。例如，將通過(guò)減小接觸面積至小于大概下極片20的面積的50%來(lái)增加本發(fā)明的 一些益處。然而，接觸面積優(yōu)選小于這種情況，適宜小于下極片20的面積大概30%。將了 解的是在實(shí)踐中存在使接觸面積最小化以減小耦合至共振器10中的熱感應(yīng)應(yīng)力與確保將 下極片20適當(dāng)支撐并固定在襯底16上的適當(dāng)位置之間的權(quán)衡。
[0033] 圖4是類似于圖3的圖且基本上按相同比例繪制，但是圖示如前文所述的圖2的 實(shí)施方案的正交偏差變化。將通過(guò)比較圖3和圖4的圖指出的是圖2的布置的隨著溫度的 正交偏差變化大大減小。
[0034] 本發(fā)明的布置不僅實(shí)現(xiàn)了耦合至共振器的熱感應(yīng)應(yīng)力的減小且因此減小了其負(fù) 面影響，而且以相對(duì)簡(jiǎn)單和適宜的方式實(shí)現(xiàn)該結(jié)果，這包括僅僅引入形成空腔28的單個(gè)額 外制造步驟。
[0035] 在前文所述的布置中，下極片20形成固定至襯底16的傳感器元件。然而，將了解 的是在其它形式的傳感器中，傳感器元件可采用其它形式。本發(fā)明不受限于此。
[0036] 在不脫離由所附的權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍的情況下，可對(duì)前文所述的布置 做出寬泛的修改和改變。例如，在布置中所述的間隔物26形成于凹陷或空腔26的中心且 一般是圓柱形。然而，可視需要采用其它形狀和位置。
【權(quán)利要求】
1. 一種傳感器，其包括襯底和錨定至所述襯底的傳感器元件，所述襯底和傳感器元件 的材料不同并且具有不同的熱膨脹系數(shù)，所述傳感器元件和襯底每個(gè)具有彼此基本上平行 布置的一般平坦的表面；所述傳感器還包括單個(gè)間隔物，由此所述傳感器元件錨定在所述 襯底上方，所述間隔物被定位以便從所述襯底的至少部分間隔所述傳感器元件的至少部 分，其中所述間隔物的面積比所述襯底表面和所述傳感器元件表面中較小的所述面積小得 多。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述間隔物與所述傳感器元件和所述襯底中的 一個(gè)或另一個(gè)一體成形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述間隔物與所述傳感器元件和所述襯底中的 一個(gè)一體成形，并且結(jié)合至所述傳感器元件和所述襯底中的另一個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述間隔物與所述襯底一體成形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述間隔物通過(guò)小直徑突起部分來(lái)限定，其從 所述襯底的周圍部分堅(jiān)立。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中空腔形成在所述襯底的所述表面中，所述間隔 物從所述空腔的基部堅(jiān)立。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述突起部分位于所述空腔的中心。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中所述空腔是環(huán)形的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5至8中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中所述突起部分一般是圓柱形的。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中所述間隔物的面積小于所述襯 底和所述傳感器元件中的較小的所述面積的一半。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器，其中所述間隔物的面積小于所述襯底和所述傳感 器元件中的較小的所述面積的30%。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，其中所述間隔物將所述襯底和傳感 器元件間隔開(kāi)在至少30 μ m的范圍中的距離。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的傳感器，并且包括振動(dòng)環(huán)陀螺儀。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述傳感器元件包括所述傳感器的磁鐵組件 的部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述傳感器元件包括所述磁鐵組件的下極 片。
【文檔編號(hào)】G01C19/5684GK104105656SQ201380004817
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】C.P.費(fèi)爾 申請(qǐng)人:大西洋慣性系統(tǒng)有限公司